河南省典型枯水年水资源脆弱性评价及贡献因子识别

王利平 ，张怡雯，张建云 , ，刘翠善 , ，王国庆 ,

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300350； 2. 南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029； 3. 水利部应对气候变化研究中心，江苏 南京 210029； 4. 水利部信息中心，北京 100053； 5. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098)

水资源是重要的基础资源、经济资源和战略资源[1]，水资源安全是区域、国家经济安全及粮食安全的基石[2-3]。伴随着水资源问题的加剧，区域水资源脆弱性研究成为当下的重要需求和研究热点。开展区域水资源脆弱性研究，充分了解区域水资源脆弱度、安全度，是统筹水资源调度管理的基础，是实现“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的关键，是实现区域可持续发展的一项重要举措。

水资源脆弱性研究开始于20世纪70年代，此后国内外学者对水资源脆弱性的概念、模型构建、评价方法等方面进行了积极探索并取得了丰硕成果[4-12]。普遍接受的水资源脆弱性概念[4]为：水资源脆弱性表示水资源系统容易受到外界影响的程度，是系统在外界力量（冲击、压力、干扰）下的暴露度、系统的敏感性和系统反应能力（应付、恢复、适应）三者的函数。其中Sullivan[5]从供应驱动和需求驱动两方面建立评价指标体系，求解了南非奥兰治河流域（Orange River Basin）87个市水资源脆弱指数；A1-Saidi等[6]从社会经济、自然组分两方面构建指标体系，运用综合评价法求解国家水资源脆弱性指数（CVIW），并评价了中东和南非地区部分国家水资源脆弱性现状；Kazakis等[7]采用DRASTIC模型对希腊北部Anthemountas River流域地下水脆弱性进行评估；国内学者Chen等[8]从水量短缺、水质污染、与水相关的自然灾害等3个方面构建评价体系，并采用粗糙云模型对淮河流域水资源脆弱性进行评估；黄垒等[9]将影响水资源脆弱性的因素分为自然脆弱性、人为脆弱性和承载脆弱性三类，并运用综合指数法对保定市地表水资源脆弱性进行评估；潘争伟等[10]采用集对指数势对巢湖流域水资源脆弱性影响因子进行分析，认为其主要影响因子有水资源产水模数、人均水资源量等。目前，水资源脆弱性研究对象大都是流域、省域或市域等单一研究单元，较少涉及将研究区域和区域内更小单元结合来探究整体与部分间水资源脆弱性联系。另外，对水资源脆弱性贡献因子的研究并不多，需要进一步加强。

河南省是我国连通南北、沟通东西的关键区域，同时在支撑全国经济发展、农业生产等方面发挥着至关重要的作用，然而存在着本地水资源禀赋不足、供需不平衡等问题。因此，结合目前水资源脆弱性研究存在的问题，以河南省18市和全省为研究区，以典型枯水年——2019年为研究年，以水资源自然条件、社会经济、供用耗水等3个子系统为基础构建水资源脆弱性评价体系，采用线性加权法评估研究区水资源脆弱性，并运用贡献度模型求解导致水资源脆弱性高的主要贡献因子，以期为河南省水资源综合调度和高效利用提供科学依据。

1 研究区域及数据来源

地处中原的河南省为人口、经济大省，位于中国中东部；省域面积16.7万km2，占全国面积的1.73%；地跨黄、淮、海、长江四大流域，属北亚热带向暖温带过渡的大陆性季风气候；地势西高东低，北西南三面环山，省内山区、丘陵、平原面积比例分别为26.6%、17.7%和55.7%（图1）。全省共设有17个地级市、1个省直辖县级市（统称为18市）。根据地理位置，18市可划分为豫东、豫西、豫南、豫北、豫中五区域。全省多年平均气温约15 ℃，多年平均降水量为771.3 mm，省内气候和地理条件适合多种农作物生长，但省内水资源禀赋条件一般，人均水资源量为440 m3，是全国人均的1/5，属于严重缺水省份。

图1 研究区位置及行政区划Fig. 1 Location and administrative division of the study area

2019年河南全省降水量为529.1 mm，水资源量为875.9亿m3，较多年均值偏少31.4%，水资源情势总体偏枯。研究数据主要包括水资源数据和社会经济数据两部分，水资源数据主要来自2019年的《河南省水资源公报》，社会经济数据主要来自2020年的《河南省统计年鉴》，不能直接获取的数据依据相应公式或含义求解得到。全省指标数据不是18市对应指标均值，而是以全省为计算单元的对应指标数据。由于指标数据量纲不同，采用极差标准化对数据进行[0,1]标准化处理。熵权法求解不同子系统下指标权重，具体计算过程及公式详见文献[13]。

2 评价指标及模型

参考前人选取的指标[14-16]，遵循指标选取的科学性、可比性、可获取性原则，结合河南省水资源状况，以水资源脆弱性评价为目标，从自然条件、社会经济、供用耗水3个子系统中选取18个指标（见表1）。其中正向指标表示指标值越大，水资源脆弱性越大，不做标记；负向指标表示指标值越大，水资源脆弱性越小，用*标记。采用均等法[17]确定子系统权重，均为0.33。

表1 河南省水资源脆弱性评价指标Tab. 1 Evaluation index of water resources vulnerability in Henan Province

结合本文建立的指标体系和熵权法求解得到的权重，利用线性加权法[18]构建水资源脆弱性评估模型，具体如下：

式中：V为水资源脆弱性指数，范围为[0,1]，脆弱性越小说明区域水资源状况越好，为负向目标函数；N、S、U分别为自然条件指数、社会经济条件指数和供用耗水指数。

3个子系统指数由线性加权求解，具体计算式为：

式中：I为3个子系统指数；ωj为第j个指标的权重；rij为第i个 评价单元第j个指标标准化后数值。

在水资源脆弱性评价的基础上进行水资源脆弱性因子贡献度分析，是为了厘清不同指标、不同子系统对水资源脆弱性的影响。借鉴障碍度模型[19]的含义和作用，结合障碍度和贡献度间的互反逻辑关系，考虑到水资源脆弱性是负向目标，故选取贡献度模型来求解水资源脆弱性的因子贡献度，并识别主要贡献因子。单指标因子贡献度模型[20]具体如下：

式中：Ci j为 第i个 评价单元第j个指标的因子贡献度。

在单指标因子贡献度结果基础上，子系统层贡献度计算式为：

式中：Cis为 第i个 评价单元不同子系统层贡献度；s取1、2、3，分别代表自然条件、社会经济条件和供用耗水子系统层；m是对应3个子系统层的指标个数，依次为4，7，7。

3 水资源脆弱性分析

根据以上模型，求解得到2019年河南省18市、区域及全省水资源自然条件、社会经济、供用耗水及脆弱性指数，具体结果见表2和图2。目前在水资源脆弱性等级划分中主要有自然断点法和等间距法等。为了使脆弱性等级便于比较且具有普适性，按等间距法进行水资源脆弱性等级划分，5个等级分别为：Ⅰ级（0≤V＜0.2），低脆弱性；Ⅱ级（0.2≤V＜0.4），较低脆弱性；Ⅲ级（0.4≤V＜0.6），中等脆弱性；Ⅳ级（0.6≤V＜0.8），较高脆弱性；Ⅴ级（0.8≤V≤1.0），高脆弱性。子系统指数也采用等间距划分标准划分为5个等级，子系统等级采用阿拉伯数字（1～5）表示，其中水资源自然条件子系统与水资源脆弱性为负相关关系，即水资源自然条件指数越高，水资源脆弱性越低。因此，将水资源自然条件指数从小到大的对应等级依次定义为高、较高、中等、较低和低水资源自然条件。水资源社会经济和供用耗水子系统等级同水资源脆弱性等级相对应。

表2 河南省水资源脆弱性指数及等级Tab. 2 Water resources vulnerability index and grade in Henan Province

3.1 子系统分析

3.1.1 自然条件根据表2和图2，可以看出河南省除济源、焦作、漯河、开封外，其他城市及全省的水资源自然条件指数是3个子系统指数中最高的，这表明大部分城市水资源自然条件等级相对较低。在城市水平上，水资源自然条件指数有较大差异：洛阳、三门峡、信阳、济源、漯河5市水资源自然条件指数偏小，均小于0.5，其中济源市水资源自然条件指数最小为0.333，济源和三门峡市为2级较高水资源自然条件；其他地区中，濮阳市水资源自然条件指数最大（为0.860），驻马店市次之（为0.826），等级均为5级低水资源自然条件。从区域水平上看，豫西地区水资源自然条件指数为3级中等水资源自然条件，其他区域均为4级较低自然条件。全省水资源自然条件指数为0.680，高于豫5个区域水资源自然条件指数均值，属18市水资源自然条件指数中等水平，为4级较低水资源自然条件。

图2 河南省水资源脆弱性空间分布Fig. 2 Spatial distribution of water resources vulnerability in Henan Province

究其原因，2019年全省年降水量为529.1 mm，属枯水年份；豫西地区的洛阳、三门峡市内大多为山区，年降水量较多年平均值略有减少，年降水量距平绝对值是同年中最小的两个城市，分别为5.91%和7.45%，远远低于全省的31.4%，同时豫西地区人口相对其他地区偏少，当年两个城市人均水资源量分别为230和462 m3，高于全省平均值（175 m3），产水模数均达到全省平均值（10万m3/km2），产水系数略低于全省平均值（0.19），分别为0.16和0.17；豫北地区的济源市年降水量距平绝对值为13.62%，远低于全省均值，而其人均水资源量、产水模数、产水系数均高于全省值，分别为330 m3、12.5万m3/km2和0.22。因此，洛阳、三门峡、济源3个城市均为较高水资源自然条件。豫北濮阳市产水模数为当年最小值6.6万m3/km2，人均水资源量全省倒数第2，仅为78 m3（最小为郑州市64 m3），而豫南驻马店市年降水量距平绝对值是当年最大值（42.56%），降水量仅稍大于多年平均降水量的一半，产水模数仅高于濮阳市（为8.8万m3/km2），两个城市的产水系数为省内最小值（0.16和0.17），因此，这两个城市属低水资源自然条件。降水量是决定地区水资源自然条件的主要因素，2019年全省降水量偏小，省内大部分城市的降水量距平绝对值约为30%，均为高值，造成了省内绝大部分城市水资源自然条件偏低。

3.1.2 社会经济由表2和图2可见，整体上水资源社会经济指数是3个子系统指数中最小的。从城市水平看，绝大部分城市水资源社会经济指数相差不大（只有郑州市数值较大）。其中洛阳、三门峡、南阳、信阳、驻马店、济源6市水资源社会经济指数较小，小于0.3且均为2级，南阳市最小为0.216；郑州市最大（0.713），属4级；新乡市次之为0.523，属3级。从区域水平上看，豫西、豫南地区水资源社会经济指数较低，均为2级；豫东、豫北、豫中地区水资源社会经济指数依次升高，均为3级。全省水资源社会经济指数为0.372，高于豫西、豫南地区平均值，低于其他3个区域均值，属于18市水资源社会经济指数中等偏下水平，为2级。

究其原因，豫西、豫南地区的5个城市和济源市的人口密度、GDP密度、亩均化肥用量相对其他城市偏小，换言之，人类活动对水资源系统的暴露度及压力程度偏小。其中三门峡市人口密度、GDP密度、亩均化肥折纯量均为省内最小，分别为220人/km2、13.8万元/km2和32.0 kg/km2；驻马店市城镇率全省最小，为44.6%。虽然以上城市在建成区绿化覆盖度和百亩农用排灌动力机械功率指标中数值偏低，但因这2个负向指标权重较小，最终水资源社会经济指数为省内偏低状态。豫东、豫北、豫中地区的各个城市在社会经济各个指标上都有较高的数值，且在正向指标上与最小值相差较大，例如，郑州市人口密度、GDP密度分别为三门峡市的5倍、11倍，新乡、平顶山、安阳市亩均化肥折纯量均超过三门峡市2倍多；而在负向指标上，城市污水处理能力、建成区绿化覆盖度上所有指标差别不大，濮阳市百亩农用排灌动力机械功率最大，为驻马店市的4倍。因此，豫东、豫北、豫中地区城市水资源社会经济指数偏高。

3.1.3 供用耗水根据表2和图2，可见整体上水资源供用耗水指数在3个子系统指数中处于中间位置。从城市水平看，各个城市水资源供用耗水指数相差较大。平顶山、漯河、许昌、三门峡市水资源供用耗水指数较低，均小于0.3，为2级，平顶山市水资源供用耗水指数最小为0.232；濮阳市最大为0.817，为5级，新乡市次之为0.694，属4级。从区域水平看，豫西、豫南、豫中地区水资源供用耗水指数偏小，区域及区域城市水资源供用耗水等级均为2级，豫东、豫北地区水资源供用耗水指数依次升高，等级分别为3级、4级。除商丘市外，其他为2级较低供用耗水的城市全部位于豫西、南、中地区。全省水资源供用耗水指数为0.420，高于豫西、南、中地区平均值，低于其他两区域均值，属于18市水资源供用耗水指数中等水平，为3级。

究其原因，是豫西、豫南、豫中地区10个城市和商丘市在供用耗水子系统的正向指标(人均综合用水量、万元GDP用水量、亩均灌溉用水量、城市人均日生活用水量、耗水率、供需比)的数值相对其他区域城市偏小。驻马店市人均综合用水量、亩均灌溉用水量均为省内最小值，分别为135和58 m3，郑州市万元GDP用水量全省最小为18.7 m3，南阳市城市人均日生活用水量省内最小为89 m3，平顶山市耗水率最小为41.3%，三门峡市供需比最小为0.39。豫东、豫北地区的城市在单位用水量指标上数值较高，例如濮阳市人均综合用水量、万元GDP用水量分别为397和91 m3，济源市亩均灌溉用水量是驻马店市的5倍，安阳市的城市人均日生活用水量是南阳市的2倍多。因此，豫东、豫北地区城市水资源供用耗水指数偏高。

3.2 脆弱性分析

根据表2和图2，从城市水平上看，水资源脆弱性指数有较大差异，范围为（0.29，0.71），等级范围覆盖Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级。其中三门峡市水资源脆弱性指数最小为0.293，属Ⅱ级较低脆弱性；濮阳市水资源脆弱性指数最大为0.707，属Ⅳ级较高脆弱性。从区域水平上看，河南省水资源脆弱性具有较明显的地区差异，豫北地区及省会郑州水资源脆弱性高，豫西地区水资源脆弱性最低，其他区域水资源脆弱性处于中间水平。全省水资源脆弱性为0.490，高于豫西、豫南地区平均值，低于其他3个区域均值，属于18市水资源脆弱性指数中等水平，为Ⅲ级中等脆弱性。究其原因，水资源脆弱性是自然条件、社会经济、供用耗水3个子系统相互耦合作用的结果[21]，豫西、豫北地区3个子系统指数分别属于省内较低、较高，因此其水资源脆弱性也对应为省内最小和最大。

可见，水资源子系统指数、脆弱性指数都是从西南向东北方向逐渐变大的趋势。另外，通过以上对局部（18市）和整体（全省）3个子系统及脆弱性等级的分析和对比，可以看出：全省子系统、脆弱性等级是18市子系统、脆弱性等级的总体概括、共性的体现；但是18市中子系统、脆弱性等级位于最大或最小两端的城市会被忽略掉，例如全省脆弱性等级为Ⅲ级，能够代表大部分城市的脆弱状态，但对豫西地区城市（Ⅱ级）和豫北的新乡、鹤壁市（Ⅳ级）脆弱性就是过高和过低的估计。因此，在进行整体分析的同时，有必要进行更细致的局部分析，以便充分了解水资源脆弱性状况，进而针对性降低水资源脆弱性。

4 因子贡献度分析

在水资源脆弱性评价基础上，对河南省18市及全省水资源的主要贡献因子进行识别和分析，以期为降低各市水资源脆弱性寻找有效策略。分别求解指标层和子系统层的因子贡献度，结果见表3。河南省18市及全省子系统贡献度对比见图3。

图3 河南18市及全省子系统贡献度对比Fig. 3 Comparison of the subsystems contribution degree between 18 cities and Henan Province

表3 河南省指标层、子系统层对水资源脆弱性的贡献度Tab. 3 The contribution degree of water resources vulnerability at index level and subsystem level in Henan Province 单位：%

4.1 子系统层因子贡献度分析

由表3和图3可知：整体上，2019年河南省18市水资源脆弱性3个子系统贡献度排序为自然条件＞供用耗水＞社会经济；在区域水平上，豫东、豫西、豫南地区水资源脆弱性子系统贡献度排序大致与18市整体子系统贡献度排序相同，豫北、豫中地区水资源脆弱性子系统贡献度排序较为复杂，其中焦作、济源市供用耗水贡献度最大，漯河市则是社会经济贡献度最大；全省水资源脆弱性3个子系统贡献度排序同18市整体子系统贡献度排序相同，不过数值间差别稍大，其中自然条件贡献度约为46%，供用耗水贡献度、社会经济贡献度均在26%左右。由于2019年为枯水年，因此自然条件是水资源脆弱性贡献度最大的子系统，这也说明了降低水资源脆弱性的关键在于改善水资源的自然条件。

4.2 指标层因子贡献度分析

从表3可以看出，河南省水资源脆弱性主要贡献因子集中在自然条件指标上，社会经济指标中亩均化肥折纯量、城镇率、城市污水处理能力和供用耗水中的人均综合用水量、亩均灌溉用水量较为重要。

河南省18市有近一半城市（包括商丘、周口、南阳、驻马店、鹤壁、濮阳、许昌、平顶山市）及全省的主要贡献因子有4项都是自然条件指标；洛阳、安阳、新乡、郑州市有3项主要贡献因子是自然条件指标，开封、三门峡、信阳、焦作、济源、漯河市则是有2项主要贡献因子是自然条件指标。研究年为近10年最干旱的年份（河南省水资源公报），降水量偏少，水资源量短缺，因此各个城市及全省年降水量距平绝对值都较大，最大达到43%，产水模数最小为6.6万m3/km2，远小于其他年份（2009、2016年为平水年，全省产水模数为20万m3/km2）：这是水资源脆弱性主要贡献因子大部分为自然条件指标的原因，也是各个城市及全省水资源脆弱性较高的主要原因。针对城市及全省因干旱其水资源脆弱性主要贡献因子大都为自然条件指标的情况，应提前做好应对干旱的预案，主要以“多渠道供水”为突破口，提高供水侧能力，相关措施包括：（1）增加供水渠道，在山区盆地建设塘坝、水池等小水利工程，提高雨水利用率，开发利用非常规水；（2）在城镇地区建设海绵城市，提高城市涵养水分能力；（3）对外调水（跨区域、跨流域调水）进行全省统筹管理等措施。

社会经济子系统中城镇率、人口密度、GDP密度、亩均化肥折纯量、城市污水处理能力是水资源脆弱性主要贡献因子，应以“合理扩张城镇、优化人口经济结构、提高城市水平”为突破口，采取以下应对措施：（1）依据土地承载能力、空间适宜度，合理扩展城镇，优化城市结构，控制城市人口增长过快，调整人口经济密度，坚持城市乡村同步发展、城市高水平发展，努力营造良好的生活生产环境，实现以水定城，达到社会经济和生态环境协调发展；（2）开展绿色、生态种植，控制化肥使用量，鼓励使用高效化肥产品，调整施肥结构，开展水肥同施、精准施肥，减少面源污染；（3）提高污水排放标准，加大污水处理设施投资，提高污水处理率，同时在河南省水资源相对充沛地区，比如信阳、三门峡等城市，充分利用水体自净功能。

供用耗水子系统中人均综合用水量、万元GDP用水量、亩均灌溉用水量、城市人均日生活用水量、耗水率为水资源脆弱性主要贡献因子。因此，应以“提高用水效率、节约用水”为突破口，以水定产，优化三产结构，加大第三产业比例：（1）在工农业上实现供给侧结构改革，水资源开发度过高地区适当缩减农业灌溉面积，调整作物种植结构、推广抗旱优良作物、改进灌溉技术，综合提高农业用水效率，保障粮食安全提升经济效益；（2）工业上，鼓励节水型产业发展，压减或取缔高耗水工业，降低高耗水工业比例，同时可通过水价和税收等措施鼓励企业改进工业工艺，提高工业用水重复率；（3）在生产生活用水中，加强节水宣传教育，提高居民生活节水意识，推广节水器具，减少城市管网漏损率，加快节水型社会建设；（4）大力发展科学技术，优化工业工艺，引入先进用水技术，提高产业用水效率，减小耗水率。

5 结 语

本文以河南省18市、区域和全省为研究单元，从水资源自然条件、社会经济、供用耗水3个子系统评估了河南全省在典型枯水年的水资源脆弱性，识别了水资源脆弱性的主要贡献因子，并提出了相应对策。主要结论如下：（1）河南省2019年水资源脆弱性为Ⅲ级，但存在空间差异，郑州、新乡、濮阳脆弱性最高，为Ⅳ级；信阳、三门峡、洛阳、济源、漯河水资源脆弱性最低，为Ⅱ级；其他地区为Ⅲ级。（2）影响水资源脆弱性的主要贡献因子包括年降水量距平绝对值、产水系数、产水模数和人均水资源量4个自然条件指标，此外还包括社会经济指标中亩均化肥折纯量和供用耗水中的人均综合用水量、亩均灌溉用水量。针对水资源脆弱性主要贡献因子，自然条件、社会经济、供用耗水3个子系统应分别以“多渠道供水、提高供水侧能力”“合理扩张城镇、优化人口经济结构、提高城市水平”“提高用水效率、节约用水”为突破口来实现水资源脆弱性精准降脆。

未来气候变化将改变区域水文情势，科学揭示水资源脆弱性与影响因子之间的空间物理驱动机制、定量评估未来气候变化下区域水资源的脆弱性及其对生态、粮食安全的影响，将是未来研究的主要方向和核心内容。